socket套接字

1. 什么是socket套接字

套接字就像一个插座，插座需要一个插头来连接双方才能通电，而socket通信也需要两个端，一个服务端一个客户端。一般来说，服务端是被动的，客户端是主动的，也就是说服务端应该先启动，启动之后就被动的去准备被（客户端）连接以提供服务，而客户端需要服务的时候就主动去连接服务器端。

实际上，socket编程就是网络IO编程，同样也是读写操作，只不过是对网络进行读写，通过read/write和文件描述符来完成读写。我们在创建套接字的时候，会得到文件描述符，然后就可以通过这个文件描述符来完成读写操作。

实际上，我们在进程间通信时用的管道也是在内核中分配一块缓冲区，这个缓冲区是用一个环形队列来维护的，本质是内存中的一块存储空间，在管道的读写两端分别对应一个文件描述符，操作读端的文件描述符fd就相当于操作内核缓冲区。

套接字创建成功后，也会得到一个文件描述符fd，通过fd来操作一块内核缓冲区。在服务器端创建一个套接字，就会得到一个内核缓冲区和文件描述符，这个缓冲区分为读写两部分。在客户端发数据使用的是write操作，当我们执行write(fd)的时候，数据并不是直接写到网上的，而是先写到文件描述符对应的内核缓冲区中的写缓冲区部分，写缓冲区中只要有数据就会自动发送到服务器端的读缓冲区中，服务器端通过read就可以把数据读出。我们所做的只有read和write操作，其他操作都是由操作系统完成的。需要注意的一点是，读缓冲区中的数据读走了之后就没有了，和管道一样。

套接字对应的文件描述符默认也是阻塞的，实际上阻塞是文件描述符对应的文件所拥有的性质，而不是read/write的属性，这两个函数只负责读取或者写数据，即阻塞性质是对文件描述符所对应的文件类型而言的。

2. socket编程

• socket是一套网络通信的函数接口
• socket内封装了传输层协议

• TCP
• UDP

socket编程就是使用别人提供的一套网络通信接口进行编程。比如说我们使用浏览器搜索内容，浏览器使用的是HTTP协议，而HTTP协议再往下封装的就是TCP协议。

在套接字编程时需要IP和Port：

• IP地址：在网络环境中，需要IP来定位一台主机
  
• 端口号Port：在一台主机上，需要Port来定位一个进程
  
• IP:Port
  

3. 网络字节序

• 大端：网络字节序，数据的高位字节存储在内存的低地址。
• 小端：主机字节序，数据的高位字节存储在内存的高位地址。常见的主机数据都是小端存储。

函数介绍：

#include <arpa/inet.h>

(1) 主机字节序转网络字节序

uint16_t htons(uint16_t hostshort); //端口
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); //IP

(2) 网络字节序转主机字节序

uint16_t ntohs(uint16_t netshort); //端口
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); //IP

假如说我们要将小端字节序转换为大端字节序，如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换后返回，如果主机是大端字节序，这些函数将不做任何变换，将参数原封不动的返回。

常见的文件字节序：

• Adobe PS — Big Endian
• BMP — Little Endian
• GIF — Little Endian
• JPEG — Big Endian
• MacPaint — Big Endian
• RTF — Little Endian

注：在Java以及所有的网络通讯协议都是使用Big-Endian编码。

4. IP地址转换函数

指定IP转换为点分十进制字符串

• 本地IP转网络字节序：字符串 —> int(大端方式存储)

int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);

• af：地址簇协议
• src：点分十进制IP
• dest：传出参数，转换后的int整形的存放地址

• 网络字节序转本地IP：int —> 字符串

const char *inet_ntop(int af, const void* src, char* dst, socklen_t size);

5. sockaddr数据结构

• sockaddr
• sockaddrin
• sockaddrun

struct sockaddr { 
  /* address family, AF_xxx */
  sa_family_t sa_family; 
  /* 14 bytes of protocol address */
  char sa_data[14];     
};
struct sockaddr_in {
  __kernel_sa_family_t sin_family;   // 地址族协议     
  __be16 sin_port;  // 端口
  struct in_addr sin_addr;   // IP地址        
  unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) - sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};
struct in_addr {
  __be32 s_addr;
};

IPv4地址用socketaddr_in结构体表示，包括16位端口号和32位IP地址，IPv6地址用socketaddr_in6结构体表示，包括16位端口号、128位IP地址和一些控制字段。

6. 网络套接字函数

(1) 创建套接字

int socket(int domain, int type, int protocol);

• 创建一个套接字
• domin

• AF_INET：这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，使用IPv4的地址；
• AF_INET6：使用IPv6的地址；
• AF_UNIX：本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器端都在同一台机器上的时候使用；

• type

• SOCK_STREAM：流式协议，这个协议是按照顺序的、可靠的、数据类型完整的、基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输的；
• SOCK_DGRAM：报式协议，这个协议式无连接的、固定长度的传输调用，该协议是不可靠的，使用UDP进行传输；
• SOCK_SEQPACKET：该协议是双线路的、可靠的连接，发送固定长度的数据包进行传输，必须把这个包完整的接收才能进行读取；
• SOCK_RAW：socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议，ping以及traceroute都使用该协议；
• SOCK_RDM：这个类型使用较少，在大部分操作系统上没有实现，它提供给数据链路层使用，不保证数据包的顺序；

• protocol：设置0表示使用默认协议； 协议，常见的协议有IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、 IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC他们分别对应这TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议；
• 返回值为文件描述符（套接字），即创建好的socket套接字的文件描述符。On success, a file descriptor for the new socket is returned. On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

(2) 绑定

int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

• 将本地的IP和端口号与创建出来的套接字绑定，将参数sockfd和addr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听addr所描述的地址和端口号。
• sockfd：创建出的文件描述符
• addr：端口和IP
• addrlen：addr结构体的长度，sizeof(addr)

(3) 监听

int listen(int sockfd, int backlog);

• 设置同时连接到服务器的客户端的个数，listen()声明sockfd处于监听状态，并且最多允许有backlog个客户端处于连接等待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略。
• sockfd：socket函数创建出来的文件描述符；
• backlog：同时能连接的最大数量，最大值为128；

(4) 接受连接

int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);

• 阻塞等待客户端连接请求，并接受连接。
• sockfd：文件描述符，使用socket创建出来的文件描述符；

• 监听的文件描述符；

• addr：存储客户端的端口和IP，是一个传出参数；
• addrlen：传入传出参数（值 - 结果），传入sizeof(addr)的大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小；
• 函数返回值是一个套接字，对应客户端，服务器端与客户端进程通信使用accept的返回值对应的套接字。

(5) 连接

int connect(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

• 客户端需要调用connect()函数连接服务器，connect和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址。
• sockfd：套接字；
• addr：传入参数，指定服务器端地址信息，服务器端的IP和端口；
• addrlen：第二个参数addr的长度；

7. TCP通信流程图